面向Python翻轉(zhuǎn)課堂的圖形動(dòng)畫案例庫(kù)的設(shè)計(jì)

宋雅娟 尚鮮連

摘? 要： 為了提高學(xué)生在翻轉(zhuǎn)課堂模式下對(duì)Python語(yǔ)言進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的興趣，開(kāi)發(fā)一個(gè)基于Python Turtle庫(kù)的圖形動(dòng)畫案例庫(kù)集成軟件。在軟件中可以直觀地看到圖形案例、動(dòng)畫程序、小游戲程序的運(yùn)行效果及其實(shí)現(xiàn)代碼。案例內(nèi)容從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，有助于學(xué)生通過(guò)案例自主學(xué)習(xí)，在教學(xué)中取得了良好的應(yīng)用效果。該軟件可以應(yīng)用于高職、高專Python翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中，也可以應(yīng)用于Python愛(ài)好者的自學(xué)。

關(guān)鍵詞： Python教學(xué); 圖形動(dòng)畫案例庫(kù); Turtle庫(kù); 翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號(hào)：G433? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2021）12-106-03

Abstract： In order to improve students' interest in autonomous learning of Python language in flipped classroom mode， integrated software of graphic animation case library based on Python Turtle library is developed. In the software， the running effect and the implementation code of graphic cases， animation programs and small game programs can be intuitively seen. The content of case is from simple to complex， from static to dynamic， which is helpful to students' autonomous learning through case， and has achieved good application effect in teaching. The software can be applied to the flipped classroom teaching of Python in higher vocational college and higher technical college， and can also be applied to the self-learning of Python enthusiasts.

Key words： Python teaching; graphic animation cases library; Turtle library; flipped classroom

0 引言

Python是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝陀?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，Python語(yǔ)言易學(xué)易用，具備豐富的開(kāi)源庫(kù)[1]，已成為繼Java，C++之后的第三大程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，圖形動(dòng)畫案例不斷被引入各種程序語(yǔ)言的教學(xué)中。文獻(xiàn)[2-4]中是將EasyX制作的圖形案例應(yīng)用于“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”的教學(xué)過(guò)程中，文獻(xiàn)[5]是將圖形動(dòng)畫案例應(yīng)用于“Java語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”的教學(xué)中。隨著翻轉(zhuǎn)課堂線上線下教學(xué)模式的發(fā)展，各種輔助教學(xué)資源不斷被應(yīng)用在計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)過(guò)程中[6]。

Python可以用來(lái)開(kāi)發(fā)人工智能程序、動(dòng)畫游戲程序、圖像處理程序。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)Turtle庫(kù)圖形動(dòng)畫小游戲案例庫(kù)，并利用tkinter庫(kù)的菜單功能對(duì)所有案例加以整合，形成一個(gè)相對(duì)完整的案例庫(kù)軟件平臺(tái)，涵蓋一系列由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的圖形動(dòng)畫案例。 Python各種知識(shí)點(diǎn)貫穿其中，既可作為線上教學(xué)資源，也可以作為課堂教學(xué)案例使用。在提高程序語(yǔ)言的教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，為自主學(xué)習(xí)Python探索一種新的方法。

1 案例庫(kù)軟件平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)

用戶進(jìn)入軟件系統(tǒng)后，可以在菜單欄中選擇不同內(nèi)容，查看案例的運(yùn)行效果。系統(tǒng)具體功能如圖1所示。

選擇“坐標(biāo)基礎(chǔ)”菜單項(xiàng)后有兩個(gè)選項(xiàng)，可以查看Turtle的角度示意圖和坐標(biāo)值示意，為用戶學(xué)習(xí)Turtle繪圖體系奠定基礎(chǔ)。

選擇“畫圖”菜單項(xiàng)后有“畫直線”、“矩形”、“圓”、“三角形”、“圓柱”等子菜單，點(diǎn)選后輸入?yún)?shù)，可在界面上看到繪制圖形的過(guò)程，并顯示函數(shù)說(shuō)明文字。

選擇“動(dòng)畫”菜單項(xiàng)后會(huì)出現(xiàn)“小烏龜”、“福字”、“幸福中國(guó)結(jié)”、“地鐵交通線路圖”、“五星國(guó)旗”等Turtle繪制的圖形及動(dòng)畫。通過(guò)這些案例，可以看到Python制作動(dòng)畫的豐富效果，激發(fā)相關(guān)創(chuàng)意及學(xué)習(xí)興趣。

選擇“小游戲”菜單項(xiàng)后有基本彈球游戲及改版的動(dòng)畫。用戶可以看到如何在一個(gè)基本程序基礎(chǔ)上進(jìn)行場(chǎng)景圖形的擴(kuò)展，并可看到場(chǎng)景中出現(xiàn)之前菜單中繪制的圖形，學(xué)習(xí)到圖形、動(dòng)畫的綜合實(shí)現(xiàn)方法。

2 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 坐標(biāo)基礎(chǔ)菜單項(xiàng)

用戶進(jìn)行繪圖首先需要了解Turtle庫(kù)的坐標(biāo)系，——度示意圖，見(jiàn)圖2（a）?？梢钥吹叫觚斪湓谠c(diǎn)（0，0）處，位于畫布的中心。烏龜頭朝向x軸正向，角度為0度，y軸正向的角度為逆時(shí)針90度或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)-270度，用戶在使用程序驅(qū)動(dòng)小烏龜運(yùn)動(dòng)時(shí)可以按此角度進(jìn)行運(yùn)作。

另一個(gè)是坐標(biāo)象限位置示意圖，見(jiàn)圖2（b），中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0），分成四個(gè)象限。通過(guò)這個(gè)圖，可以了解Turtle坐標(biāo)系，知道坐標(biāo)原點(diǎn)、各個(gè)象限坐標(biāo)情況。這兩個(gè)坐標(biāo)圖不僅展示了Turtle庫(kù)的坐標(biāo)使用情況，同時(shí)通過(guò)代碼也可以掌握如何應(yīng)用Python繪制一個(gè)線條形式的示意圖。

2.2 畫圖菜單項(xiàng)

此部分提供繪制直線、圓、三角形、圓柱等基本圖形和組合圖形的案例。在繪制相應(yīng)圖形后以文本方式輸出完成圖形的相關(guān)代碼，有助于Turtle庫(kù)的函數(shù)的學(xué)習(xí)。Turtle庫(kù)中提供了相應(yīng)的繪制線條、圓等基本函數(shù)，使用畫圖菜單項(xiàng)即可看到繪制的效果，并通過(guò)文本內(nèi)容及程序代碼學(xué)習(xí)Turtle庫(kù)的基本繪圖函數(shù)。

此部分的案例涉及基本圖形及組合圖形的繪制，在學(xué)習(xí)基本圖形后利用所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行拓展，發(fā)揮創(chuàng)意，從而可以繪制需要的復(fù)雜圖形。

2.3 動(dòng)畫菜單

“動(dòng)畫”子菜單中提供復(fù)雜圖形及場(chǎng)景的繪制，當(dāng)點(diǎn)擊選項(xiàng)時(shí)，即可出現(xiàn)繪制過(guò)程，更容易理解繪制圖形的代碼，提供的案例主要有幸福中國(guó)結(jié)、卡通小烏龜、五星紅旗、地鐵線路示意圖及福字的繪制。

例如“幸福中國(guó)結(jié)”這個(gè)案例可以學(xué)習(xí)到通過(guò)Turtle中的定時(shí)器制作圖形動(dòng)畫的方法。動(dòng)畫過(guò)程見(jiàn)圖3。圖中有四個(gè)紅色中國(guó)結(jié)，大小不同、位置不同。動(dòng)畫進(jìn)行過(guò)程中，兩個(gè)大的中國(guó)結(jié)從下向上垂直運(yùn)動(dòng)到頂端停止，兩個(gè)小的中國(guó)結(jié)從上向下垂直運(yùn)動(dòng)，碰到長(zhǎng)凳即停止。用戶可以通過(guò)鍵盤控制畫面中的長(zhǎng)凳進(jìn)行左右上下的移動(dòng)。該案例中涉及到函數(shù)調(diào)用、順序結(jié)構(gòu);繪制中國(guó)結(jié)中的循環(huán)結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu);多個(gè)中國(guó)結(jié)的繪制涉及到列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);長(zhǎng)凳移動(dòng)涉及到字典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、鍵盤事件處理。此案例可以貫穿Python中基本知識(shí)點(diǎn)。

其他的卡通小烏龜、五星紅旗、地鐵線路示意圖及福字的繪制，則是應(yīng)用不同案例展示應(yīng)用Python turtle庫(kù)所能完成的多種形式的復(fù)雜圖形創(chuàng)意及繪制，有助于激發(fā)更多的圖形創(chuàng)意設(shè)計(jì)思路。

2.4 小游戲案例菜單

小游戲案例菜單提供了二個(gè)版本的彈球小游戲。第一個(gè)是基本的彈球游戲，彈球在界面上按一定方向運(yùn)行。當(dāng)碰到兩側(cè)的球拍時(shí)，球被彈回。小游戲中的第二個(gè)彈球案例如圖4所示。這個(gè)案例設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了彈球在一個(gè)場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。場(chǎng)景中有三個(gè)區(qū)域，右上角區(qū)域懸掛著一個(gè)紅色中國(guó)結(jié)，周圍有黑色邊框。左上角是一個(gè)有黑色填充圖形的花朵圖案。下方是一把椅子上坐著一個(gè)人。場(chǎng)景中有一個(gè)彈球，按一定方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)碰到花朵與中國(guó)結(jié)的邊框時(shí)會(huì)被彈向相反方向，碰到場(chǎng)景四周的邊界時(shí)也會(huì)被彈回。案例中有靜態(tài)圖形和動(dòng)畫效果。使用與幸福中國(guó)結(jié)中同樣的中國(guó)結(jié)圖案，展示了程序模塊及圖形組合的作用。簡(jiǎn)單線條繪制的椅子增加了場(chǎng)景的立體感。這樣一個(gè)比較綜合的案例可以連接前面的案例，從淺入深地完成了一個(gè)動(dòng)畫及交互功能的實(shí)現(xiàn)。

這個(gè)案例的改版處在于保持彈球的運(yùn)動(dòng)程序，但增加了比較豐富的場(chǎng)景元素。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于Turtle庫(kù)的Python案例軟件平臺(tái)進(jìn)行了介紹與闡述。軟件中的案例從基本圖形到復(fù)雜圖形，從靜態(tài)場(chǎng)景到動(dòng)畫界面，從無(wú)交互到有鍵盤控制。形成一個(gè)階梯式學(xué)習(xí)Python的過(guò)程。此案例庫(kù)展示更多的設(shè)計(jì)可能性，有助于激發(fā)更好更復(fù)雜的創(chuàng)意?？梢酝ㄟ^(guò)課程網(wǎng)站不斷擴(kuò)充案例庫(kù)，既讓學(xué)生能獲得越來(lái)越多的創(chuàng)意啟發(fā)，也可讓學(xué)生因?qū)Π咐龓?kù)的貢獻(xiàn)工作而產(chǎn)生成就感和滿足感。

參考文獻(xiàn)（References）：

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[5] 王洋.Java就該這樣學(xué)[M].電子工業(yè)出版社，2013.

[6] 尚鮮連，曾海，宋雅娟等.基于移動(dòng)學(xué)習(xí)的線上線下混合式教學(xué)模式研究與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2020.41：250-252